JP2011009405A - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換モジュールに関し、特にセラミックスからなる支持基板を有する熱電変換モジュールに関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module, and more particularly to a thermoelectric conversion module having a support substrate made of ceramics.
熱電変換素子は、p型半導体とn型半導体とからなるpn接合対に電流を流すと、それぞれの半導体の一端側が発熱するとともに他端側が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単であり、フロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の冷却装置、レーザーダイオードの温度調節装置等への幅広い利用が期待されている。 The thermoelectric conversion element utilizes the Peltier effect that when a current is passed through a pn junction pair consisting of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, one end of each semiconductor generates heat and the other end absorbs heat. The thermoelectric conversion module can be precisely controlled, small in size and simple in structure. It can be used for CFC-free cooling devices, photodetection elements, cooling devices for semiconductor manufacturing devices, laser diode temperature control devices, etc. Wide use is expected.
また、熱電変換素子は、その両端に温度差があると電流が流れる特徴を有しているため、排熱回収発電等の発電装置への利用が期待されている。 Moreover, since the thermoelectric conversion element has a characteristic that current flows when there is a temperature difference between both ends, the thermoelectric conversion element is expected to be used for a power generation apparatus such as exhaust heat recovery power generation.
熱電変換モジュールの構造は、例えば図4に示すように、支持基板1a、1b(以下、支持基板1ということがある)の表面に、それぞれ配線導体3a、3bが形成され、さらにp型熱電変換素子2aおよびn型熱電変換素子2b(以下、熱電変換素子2ということがある)が支持基板1a、1bで挟持され、配線導体3a、3bに熱電変換素子2の両端が半田6でそれぞれ接合されている。
For example, as shown in FIG. 4, the thermoelectric conversion module has
そして、これらの熱電変換素子2は、電気的に直列になるように配線導体3a、3bで接続されており、その両端はそれぞれ外部接続端子4に接続されている。これらの外部接続端子4には、半田6によってリード線5が接続され、外部から電力が供給される構造となっている。
These
室温付近で使用される冷却用の熱電変換モジュールには、冷却特性が優れるという観点からA2B3型結晶(AはBiおよび/またはSb、BはTeおよび/またはSe)からなる熱電変換素子2が一般的に用いられている。 The thermoelectric conversion module for cooling used near room temperature is a thermoelectric conversion element made of an A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) from the viewpoint of excellent cooling characteristics. 2 is generally used.
p型熱電変換素子2aにはBi2Te3とSb2Te3との固溶体が、n型熱電変換素子2bにはBi2Te3とBi2Se3との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このA2B3型結晶(AはBiおよび/またはSb、BはTeおよび/またはSe)が熱電変換素子2に広く用いられている。
The p-type thermoelectric conversion element 2a has a particularly excellent performance of a solid solution of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 and the n-type
また、配線導体3a、3bには銅が用いられ、熱電変換素子2a、2bとの半田接合を強固なものとするため、熱電変換素子2a、2bと半田6との濡れ性を改善し、半田成分の熱電変換素子2への拡散を防止するため、熱電変換素子2a、2bの配線導体3a、3b側にはNiメッキ等によって電極8が形成されている。さらにその表面には、半田6との濡れ性を向上させる目的で、Au等により被覆層7が形成されている。
In addition, copper is used for the
支持基板1は、熱電変換モジュールの構造を保持するとともに、熱を伝える働きを有する。熱の伝導が悪い場合、熱電変換モジュールの性能が劣化するばかりでなく、放熱側が高温になり、熱電変換素子2を接合している半田6が軟化し、熱電変換素子2の位置がずれてしまうことがあった。そのため、熱変換電素子2を接合する半田6をAu−Snなどの高融点半田にすることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
The support substrate 1 holds the structure of the thermoelectric conversion module and has a function of transferring heat. When the heat conduction is poor, not only the performance of the thermoelectric conversion module is deteriorated, but also the heat radiation side becomes high temperature, the
従来の熱電変換モジュールでは、熱変換電素子2を接合する半田6として、Au−Sn半田を使用していたため、半田6自体の融点が高く、半田6が溶融することによる熱電変換素子3のずれをある程度抑制する効果が得られるものの、支持基板1からの放熱性が低い場合は、Au−Sn半田であっても軟化し、熱電変換素子3の位置がずれてしまうことがあった。
In the conventional thermoelectric conversion module, Au—Sn solder is used as the
本発明は、支持基板の放熱性が高い熱電変換モジュールを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the thermoelectric conversion module with high heat dissipation of a support substrate.
本発明の熱電変換モジュールは、セラミックスからなる支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の配線導体とを具備する熱電変換モジュールであって、前記支持基板中に金属粒子が分散して存在することを特徴とする。 The thermoelectric conversion module of the present invention includes a support substrate made of ceramics, a plurality of thermoelectric conversion elements arranged on the support substrate, and a plurality of wirings formed on the support substrate and electrically connecting the thermoelectric conversion elements. A thermoelectric conversion module including a conductor, wherein metal particles are dispersed in the support substrate.
本発明の熱電変換モジュールでは、支持基板中に金属粒子が分散して存在することにより、支持基板における熱の拡散性を向上させ、支持基板と配線導体との界面に熱がたまることを低減でき、これにより、熱電変換素子と配線導体とを接合している半田の軟化を抑制し、熱電変換素子の位置ずれを抑制できる。 In the thermoelectric conversion module of the present invention, the presence of metal particles dispersed in the support substrate can improve the heat diffusibility in the support substrate and reduce heat accumulation at the interface between the support substrate and the wiring conductor. Thereby, softening of the solder which joins the thermoelectric conversion element and the wiring conductor can be suppressed, and the displacement of the thermoelectric conversion element can be suppressed.
また、本発明の熱電変換モジュールは、セラミックスからなる支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の配線導体とを具備する熱電変換モジュールであって、金属粒子が、前記支持基板の熱電変換素子側の表層に分散して存在することを特徴とする。このような熱電変換モジュールでは、支持基板の熱電変換素子側の表層に金属粒子が存在することにより、効率的に支持基板と配線導体との界面の熱を支持基板中に拡散させることができるとともに、金属粒子が支持基板内部に分散することによる耐電圧の低下を抑制できる。 The thermoelectric conversion module of the present invention includes a support substrate made of ceramics, a plurality of thermoelectric conversion elements arranged on the support substrate, and a plurality of thermoelectric conversion elements formed on the support substrate and electrically connected between the thermoelectric conversion elements. A metal conductor dispersed in the surface layer on the thermoelectric conversion element side of the support substrate. In such a thermoelectric conversion module, the presence of metal particles on the surface layer of the support substrate on the thermoelectric conversion element side can efficiently diffuse the heat at the interface between the support substrate and the wiring conductor into the support substrate. In addition, it is possible to suppress a decrease in withstand voltage due to the metal particles being dispersed inside the support substrate.
また、本発明の熱電変換モジュールは、セラミックスからなる支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の配線導体とを具備する熱電変換モジュールであって、金属粒子が、前記支持基板の熱電変換素子側の表層の前記配線導体が位置する部分に分散して存在することを特徴とする。 The thermoelectric conversion module of the present invention includes a support substrate made of ceramics, a plurality of thermoelectric conversion elements arranged on the support substrate, and a plurality of thermoelectric conversion elements formed on the support substrate and electrically connected between the thermoelectric conversion elements. The metal conductor is dispersed and present in a portion of the surface layer of the support substrate on the thermoelectric conversion element side where the wiring conductor is located.
このような熱電変換モジュールでは、金属粒子が分散している部分が、配線導体が位置する部分における支持基板の表層に存在するため、一旦支持基板に拡散した熱が、さらに支持基板から熱電変換素子側へ戻ることを低減でき、これにより半田の軟化をさらに低減できる。 In such a thermoelectric conversion module, since the portion where the metal particles are dispersed is present on the surface layer of the support substrate in the portion where the wiring conductor is located, the heat once diffused to the support substrate is further transferred from the support substrate to the thermoelectric conversion element. Return to the side can be reduced, which can further reduce solder softening.
本発明の冷却装置、温度調節装置または発電装置は、上記の熱電変換モジュールを冷却手段、発電手段または温度調節手段としたことを特徴とする。このような冷却装置、温度調節装置または発電装置では、支持基板への熱の拡散が効率的に行われるため、熱電変換素子の位置ずれが起こりにくく、よって長期信頼性および耐久性を向上できる。 The cooling device, temperature control device or power generation device of the present invention is characterized in that the thermoelectric conversion module is a cooling means, power generation means or temperature control means. In such a cooling device, a temperature control device, or a power generation device, heat is efficiently diffused to the support substrate, so that the displacement of the thermoelectric conversion element hardly occurs, and thus long-term reliability and durability can be improved.
本発明の熱電変換モジュールでは、支持基板中に金属粒子が分散して存在することにより、支持基板における熱の拡散性を向上させ、支持基板と配線導体との界面に熱がたまることを低減でき、これにより、熱電変換素子と配線導体とを接合している半田の軟化を抑制し、熱電変換素子の位置ずれを抑制できる。よって長期信頼性および耐久性に優れる熱電変換モジュールを提供することができる。 In the thermoelectric conversion module of the present invention, the presence of metal particles dispersed in the support substrate can improve the heat diffusibility in the support substrate and reduce heat accumulation at the interface between the support substrate and the wiring conductor. Thereby, softening of the solder which joins the thermoelectric conversion element and the wiring conductor can be suppressed, and the displacement of the thermoelectric conversion element can be suppressed. Therefore, a thermoelectric conversion module having excellent long-term reliability and durability can be provided.
本発明の実施形態を図1を基に説明する。尚、図4に示す従来の熱電変換モジュールと同一部材については、図4と同一符号を付した。 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol as FIG. 4 was attached | subjected about the same member as the conventional thermoelectric conversion module shown in FIG.
本発明の熱電変換モジュールは、図1に示すように、下部の支持基板1a、上部の支持基板1bの表面に、それぞれ第1、第2配線導体3a、3bが形成され、さらにp型熱電変換素子2aおよびn型熱電変換素子2b(以下、熱電変換素子2または熱電変換素子2a、2bということがある)が、支持基板1a、1b(以下、支持基板1ということがある)の間に配置され、熱電変換素子2が支持基板1a、1bで挟持されている。熱電変換素子2a、2bの両端面は、下部および上部の第1、第2配線導体3a、3b(以下、配線導体3ということがある)に半田6で接合されている。
As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion module of the present invention has first and
支持基板1a、1bは、アルミナ、窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素、ベリリアから選ばれる1種以上のセラミックスからなるもので、セラミック粒子と、このセラミック粒子の間の粒界とから構成されている。これにより、熱電変換モジュールとして必要な、モジュール強度と熱伝導を確保することができる。
The
配線導体3a、3bは、熱電変換素子2に電力を供給するためのものであり、例えば、Zn、Al、Au、Ag、W、Ti、Fe、Cu、Ni、PtおよびPdから選ばれる少なくとも1種の元素を含む金属であることが、電気抵抗が低く、また熱伝導率が高いために発熱を抑制し、さらに熱放散性に優れるために好ましい。配線導体3a、3bには、電気抵抗、熱伝導率、コストの観点から、特にCu、Ag、Al、Ni、Pt、Pdから選ばれる少なくとも1種の元素が好適に使用される。
The
配線導体3a、3bは、メッキ法、メタライズ法、DBC(Direct−bonding Copper)法、チップ接合法、焼付け法から選ばれる1種以上の方法を適宜採用することで、配線パターン精度、電流値およびコストに合わせ最適な配線導体3を作製することができる。
For the
尚、図1では、それぞれの熱電変換素子2a、2bをそれぞれの半田6で個別に配線導体3a、3bに接合した例について説明したが、本発明では、一対の熱電変換素子2a、2bを一つの半田6で接合しても良い。
In FIG. 1, the example in which the
熱電変換素子2はp型熱電変換素子2aおよびn型熱電変換素子2bの2種からなり、下部の支持基板1aの一方の主面上に縦横に配列されている。p型熱電変換素子2aおよびn型熱電変換素子2bは、p型、n型、p型、n型と交互に、かつ電気的に直列になるように第1、第2配線導体3a、3bで接続し、一つの電気回路を形成している。
The
熱電変換素子2は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているBi−Te系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。p型としてBi0.4Sb1.6Te3、Bi0.5Sb1.5Te3など、n型としてBi2Te2.85Se0.15、Bi2Te2.9Se0.1などが好適に使用される。
The
熱電変換素子2a、2bの配線導体3a、3b側には、半田6との濡れ性が良好なNi等の電極8、Au等の被覆層7を有している。
On the side of the
一つの電気回路の両端には外部接続端子4が接続され、電気的に接続されている。これらの外部接続端子4には、半田6によってリード線5が接続されており、外部から電力が供給される構造となっている。リード線5の代わりにブロック状、柱状の導体を接続してもよい。またリード線5やブロック状、柱状の導体を接合せず、外部接続端子4に直接ワイヤーをボンディングして電力を供給することもできる。
そして、本発明では、図1(b)に示すように、セラミックスからなる支持基板1a、1bに金属粒子10が分散している。
And in this invention, as shown in FIG.1 (b), the
すなわち、支持基板1a、1bは、セラミック粒子と粒界とからなり、その粒界に金属粒子10が存在しており、支持基板1a、1bに金属粒子10が分散している。この金属粒子10の平均粒径は、分散性という点から、0.1〜50μmが望ましく、支持基板1a、1bにおける含有量は、熱の伝導性と耐電圧という点から0.1〜10質量%が望ましい。
That is, the
金属粒子10としては、Au、Ag、Cu、Pt、Pd、W、Mo、Mn、Ti、Cr、Ni、Pb、Alから選ばれる1種以上の金属粒子を用いることができるが、その中でも、熱伝導や分散性という点から、Au、Ag、Cu、Pt、Pb、Alが望ましい。金属粒子10の形状は球状もしくは不定形状である。また、本発明では、金属粒子10は、表面が酸化されている場合も包含する意味である。
As the
本発明の熱電変換モジュールでは、支持基板1a、1bの粒界に金属粒子10が分散して存在することにより、支持基板1a、1bへの熱の拡散を向上させ、支持基板1a、1bと配線導体3a、3bとの界面に熱がたまることを低減でき、これにより、熱電変換素子2a、2bと配線導体3a、3bとを接合している半田6の軟化を抑制し、熱電変換素子2a、2bの位置ずれを防止でき、長期信頼性および耐久性を向上できる。
In the thermoelectric conversion module of the present invention, since the
図2(a)は、本発明の熱電変換モジュールの他の形態を示すもので、この形態では、金属粒子10が、支持基板1a、1bの熱電変換素子2a、2b側の表層にだけ存在しており、表層以外の支持基板1a、1bには金属粒子10は存在していない。このような熱電変換モジュールでは、支持基板1a、1bの熱電変換素子2a、2b側の表層のみに金属粒子10が分散しているため、効率的に支持基板1a、1bと配線導体2a、2bとの界面の熱を支持基板1a、1bに分散させられるとともに、金属粒子10の分散による耐電圧の低下を抑制できる。
FIG. 2A shows another embodiment of the thermoelectric conversion module of the present invention. In this embodiment, the
図2(b)は、本発明の熱電変換モジュールのさらに他の形態を示すもので、この形態では、金属粒子10が、熱電変換素子2a、2bの下方に位置する支持基板1a、1bの表層にだけ分散している。言い換えると、金属粒子10は、支持基板1a、1bの熱電変換素子2a、2b側の表層であって、配線導体3a、3bが位置する部分に分散している。
FIG.2 (b) shows the further another form of the thermoelectric conversion module of this invention, In this form, the
このような熱電変換モジュールでは、金属粒子が分散している層が、熱電変換素子2a、2bの下方に位置する支持基板1a、1bの表層にだけ分散しているため、一旦支持基板1a、1b側に拡散した熱が、支持基板1a、1bから熱電変換素子2a、2b側へ熱が戻ることを低減でき、これにより半田6の軟化をさらに低減できる。
In such a thermoelectric conversion module, the layers in which the metal particles are dispersed are dispersed only in the surface layers of the
図3は、本発明の熱電変換モジュールのさらに他の形態を示すもので、この形態では、金属粒子10が、熱電変換素子2a、2bの下方に位置する支持基板1aの表層に存在するとともに、支持基板1aの熱電変換素子2a、2b側とは反対側の表層に存在している。
FIG. 3 shows still another embodiment of the thermoelectric conversion module of the present invention. In this embodiment, the
例えば、光伝送モジュールでは、熱電変換モジュールの高温側をパッケージに半田付けし、低温側にレーザ装置が搭載されたヒートシンクを半田付けして構成されるが、熱電変換モジュールをパッケージやヒートシンクに加熱して接合させる必要があるため、支持基板1a、1bの熱電変換素子2a、2b形成面と反対側にCu等からなる接合層15が形成されており、この接合層15が半田を介して、パッケージやヒートシンクに接合している。従って、熱電変換素子2a、2bで発生した熱を、熱電変換素子2a、2b側の支持基板1aの表層の金属粒子10、および支持基板1aの熱電変換素子2a、2b側とは反対側の表層の金属粒子10を介して、接合層15から有効に逃がすことができる。なお、図2、3では、支持基板1b、配線導体3bと、熱電変換素子2の上側に形成される半田6、被覆層7および電極8とを省略した。
For example, an optical transmission module is configured by soldering the high temperature side of a thermoelectric conversion module to a package and soldering a heat sink on which the laser device is mounted on the low temperature side. The thermoelectric conversion module is heated to the package or heat sink. Therefore, a bonding layer 15 made of Cu or the like is formed on the opposite side of the supporting
本発明の熱電変換モジュールは、金属粒子10がセラミック粒子の界面に分散しているため、金属粒子10が存在しない部分よりも、密度を高くでき、支持基板1a、1bと配線導体3a、3bとの界面の熱を効果的に拡散させることができ、半田6の軟化を低減できる。また、金属粒子10がセラミック粒子の界面に分散して存在するため、金属粒子10が存在しない部分よりもボイドが少なく、これにより効果的に支持基板1a、1bと配線導体3a、3bとの界面の熱を拡散させることができ、半田6の軟化を低減できる。
In the thermoelectric conversion module of the present invention, since the
次に、本発明の熱電変換モジュール9の製造方法の一例について説明する。
Next, an example of the manufacturing method of the
まず、熱電変換素子2を準備する。本発明によれば、熱電変換素子2は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法、熱間押出法、薄膜法など、及びその組み合わせによって得られた材料を使用することが可能である。
First, the
熱電変換素子2は、Bi、Sbのうち少なくとも1種およびTe、Seのうち少なくとも1種を含む焼結体を用いることが好ましい。これらの金属や合金は、室温付近で性能の高い熱電変換モジュールを実現できる。熱電変換素子2の大きさは特に限定されないが、小型熱電変換モジュール9としては、熱電変換素子2として、縦0.1〜2mm、横0.1〜2mm、高さ0.1〜3mmの角柱状に加工したものを準備する。
The
この熱電変換素子2は、半田6との濡れ性を向上させるために、接合される端面には、予めNi等の電極8、Au等の被覆層7を有している。
In order to improve the wettability with the
次いで、金属粒子10を分散させた支持基板1を準備する。支持基板1は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素等を主成分とするセラミックス粉末を準備し、これにAu、Ag、Cu、Pt、Pd、W、Mo、Mn、Ti、Cr、Ni、Pb、Alから選ばれる1種以上の金属粉末と、バインダー等とを混錬し、テープ成形、プレス成形、押し出し成形などの常法によりシート状の成形体を作製する。これをフォーミングガス、アルゴン、窒素などのガス中で焼成し、金属粒子を粒界に分散させたシート状の支持基板1を得ることができる。
Next, the support substrate 1 in which the
なお、焼成によりセラミック粒子を焼結させるとともに、その粒界に金属粒子が存在することになるが、金属粒子は、焼成により表面が一部酸化される場合もある。 The ceramic particles are sintered by firing, and metal particles are present at the grain boundaries. However, the surface of the metal particles may be partially oxidized by firing.
次に、Zn、Al、Au、Ag、W、Ti、Fe、Cu、Ni、PtおよびPdから選ばれる少なくとも1種の導電性材料を用いて、支持基板1の表面に配線導体3および外部接続端子4を、メッキ法、メタライズ法、DBC(Direct−bonding Copper)法、焼付け法、チップ接合法などの手法により形成した後、所定の基板形状に切断、加工し、配線導体3および外部接続端子4が形成された支持基板1を得る。
Next, using at least one conductive material selected from Zn, Al, Au, Ag, W, Ti, Fe, Cu, Ni, Pt and Pd, the wiring conductor 3 and the external connection are formed on the surface of the support substrate 1. The
図2(a)に示すように、支持基板1の表層のみに金属粒子10を分散させる場合には、例えば、上記のようにして作製した金属粉末およびセラミック粉末を含むシート状成形体を、金属粉末を含まないセラミック粉末のシート状成形体上に積層し、圧着した後焼成することにより、表層のみに金属粒子10が分散した支持基板1が得られる。
As shown in FIG. 2A, when the
また、図2(b)に示すように、配線導体3が位置する支持基板1a、1bの表層にのみ金属粒子10を分散させるには、金属粉末を含有しないセラミック粉末のシート状成形体に開口部を形成し、この開口部に、金属粉末およびセラミック粉末を含むスラリーを充填し、乾燥させた後、このシート状成形体に、金属粒子を含まないセラミック粉末のシート状成形体を積層し、圧着した後焼成することにより、配線導体3が位置する支持基板の表層にのみ金属粒子10が分散した支持基板1を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 2 (b), in order to disperse the
さらに、図3に示すような熱電変換モジュールは、金属粉末を含有しないセラミック粉末のシート状成形体に開口部を形成し、この開口部に、金属粉末およびセラミック粉末を含むスラリーを充填し、乾燥させた後、このシート状成形体に、金属粒子を含まないセラミック粉末のシート状成形体を積層し、さらに、金属粉末およびセラミック粉末を含むシート状成形体を積層し、圧着した後焼成することにより得ることができる。 Furthermore, the thermoelectric conversion module as shown in FIG. 3 is formed with an opening in a ceramic powder sheet-like compact that does not contain metal powder, and the opening is filled with a slurry containing metal powder and ceramic powder, and dried. After that, a sheet-like molded body of ceramic powder not containing metal particles is laminated on this sheet-like molded body, and further, a sheet-like molded body containing metal powder and ceramic powder is laminated, pressed, and fired. Can be obtained.
このようにして得られた熱電変換モジュール9の外部接続端子4に、例えば直径0.3mmの太さのリード線5をソフトビーム等で局所的に加熱、接合し、熱電変換モジュール9を作製する。この他、YAGレーザー等でスポット溶接して熱電変換モジュール9を作製しても構わない。またワイヤーボンディングに対応するため、リード線5の替わりにブロック状、柱状の導体を接合しても良い。あるいは、外部接続端子4に直接ワイヤーボンディングすることもできる。
The
本発明の熱電変換モジュールを、例えばレーザーや半導体製造装置等の冷却手段として使用することができる。具体的には、熱電変換モジュールの低温側をレーザーや半導体製造装置側にして配置することにより構成される。これにより長期安定性に優れた冷却装置を提供することができる。また、熱電変換モジュールを、例えば、レーザーダイオードの温度調節手段として使用することができる。これにより、長期安定性に優れた温度調節装置を提供することができる。さらに、熱電変換モジュールを、例えば自動車やコージェネレーション等の排熱を利用した発電手段として使用することができる。これにより長期安定性に優れた発電装置を提供することができる。 The thermoelectric conversion module of this invention can be used as cooling means, such as a laser and a semiconductor manufacturing apparatus, for example. Specifically, the thermoelectric conversion module is configured by placing the low temperature side of the thermoelectric conversion module on the laser or semiconductor manufacturing apparatus side. Thereby, the cooling device excellent in long-term stability can be provided. Further, the thermoelectric conversion module can be used, for example, as a temperature adjusting means for a laser diode. Thereby, the temperature control apparatus excellent in long-term stability can be provided. Furthermore, the thermoelectric conversion module can be used as a power generation means that uses exhaust heat such as an automobile or a cogeneration. Thereby, the power generator excellent in long-term stability can be provided.
先ず、Bi−Te系焼結体からなるn型またはp型の熱電変換素子2を準備した。熱電変換素子2の形状は、四角柱で、寸法は縦0.6mm、横0.6mm、高さ1mmであった。また、平均粒径1μmのアルミナ粉末を96質量%と、焼結助剤成分を4質量%とを含有する厚み500μmのグリーンシートと、平均粒径1μmのアルミナ粉末を95質量%と、焼結助剤成分を4質量%と、平均粒径1μmのCu粉末を1質量%とを含有する厚み100μmのグリーンシートとを用意し、これらを積層して、熱圧着させた。その圧着体をフォーミングガス中で1600℃で焼成し、図2(a)に示すような支持基板1を得た。
First, an n-type or p-type
この支持基板1のアルミナ粒子の粒界に存在する粒子を、波長分散型X線マイクロアナライザー分析(EPMA)にて分析したところ、Cuを検出し、Cu粒子であること確認した。 When the particles present at the grain boundaries of the alumina particles of the support substrate 1 were analyzed by wavelength dispersion X-ray microanalyzer analysis (EPMA), Cu was detected and confirmed to be Cu particles.
この支持基板1上に、メッキ法にてCuの配線導体3を形成し、熱電変換素子2をp型、n型交互に接続するように配列し、Au−Sn半田6にて接合し、熱電変換モジュールを得た。
A Cu wiring conductor 3 is formed on the support substrate 1 by a plating method, the
さらに、平均粒径1μmのアルミナ粉末を96質量%と、焼結助剤成分を4質量%とを含有する厚み600μmのグリーンシートをフォーミングガス中で1600℃で焼成して支持基板を作製し、上記と同様にして、比較例の熱電変換モジュールを得た。 Furthermore, a support substrate was prepared by firing a green sheet having a thickness of 600 μm containing 96% by mass of alumina powder having an average particle diameter of 1 μm and 4% by mass of a sintering aid component at 1600 ° C. in a forming gas, The thermoelectric conversion module of the comparative example was obtained in the same manner as described above.
これらの熱電変換モジュールについて、熱電変換素子を100℃で3000時間保持する熱拡散試験を行ったところ、比較例の熱電変換モジュールでは、半田が軟化し、熱電変換素子が位置ずれしたが、本発明の熱電変換モジュールでは、熱電変換素子の位置ずれはなかった。 When these thermoelectric conversion modules were subjected to a thermal diffusion test in which the thermoelectric conversion elements were held at 100 ° C. for 3000 hours, in the thermoelectric conversion module of the comparative example, the solder was softened and the thermoelectric conversion elements were misaligned. In the thermoelectric conversion module, there was no displacement of the thermoelectric conversion element.
さらに、本発明者は、平均粒径1μmのアルミナ粉末を95質量%と、焼結助剤成分を4質量%と、平均粒径1μmのCu粉末を1質量%とを混合したグリーンシートを、フォーミングガス中で1600℃で焼成し、図1(b)に示すような支持基板1を作製し、上記と同様の熱拡散試験を行った結果、熱電変換素子の位置ずれはなかった。 Furthermore, the present inventor obtained a green sheet obtained by mixing 95% by mass of alumina powder having an average particle size of 1 μm, 4% by mass of a sintering aid component, and 1% by mass of Cu powder having an average particle size of 1 μm, As a result of firing at 1600 ° C. in forming gas to produce a support substrate 1 as shown in FIG. 1B and conducting a thermal diffusion test similar to the above, there was no displacement of the thermoelectric conversion element.
1・・・支持基板
1a・・・下部の支持基板
1b・・・上部の支持基板
2・・・熱電変換素子
2a・・・p型熱電変換素子
2b・・・n型熱電変換素子
3・・・配線導体
3a・・・第1配線導体
3b・・・第2配線導体
6・・・半田
7・・・被覆層
8・・・電極
9・・・熱電変換モジュール
10・・・金属粒子
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